CN101640144A - 一种金属结构静电驱动mems继电器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属结构静电驱动的MEMS继电器及其制备方法，属于继电器的设计制造技术领域。其特征在于，该继电器为双端固支形结构，分为上活动极板7和下固定极板4，上活动极板简称上极板和下固定极板简称下极板均为金属，可降低接触电阻。上极板开有阻尼孔9，可减小开关时的阻尼效应，同时也利于牺牲层8释放，保证结构完整，可防止出现结构释放时翻转侧倾失效。下极板采用上部绝缘材料层5和下部绝缘材料层3整体包覆，可以有效防止上、下极板接触后导通并保证上极板与衬底绝缘。本发明MEMS继电器具有驱动电压低、负载电流大的特点，在电子信息、工业控制、能源管理、交通、通讯、航空航天和军用领域中应用广泛。
Description
技术领域
本发明属于基于继电器制造技术范围，特别涉及具有低驱动电压特性和高承载电流特性的一种金属结构静电驱动MEMS继电器及其制备方法。
背景技术
继电器是一种重要的控制元件，具有隔离输入输出电路、切换信号/负载、闭锁电路等功能，作为一种基本的机电元件广泛地应用于各种电力保护、能源管理仪器仪表和自动控制系统中。在国防武器、航空航天和各种地面控制设备中需要使用各种规格类型的继电器，这种应用场合要求继电器可靠性高、闭合时承载电流能力强、开路漏电流小、接触阻抗小，同时还要求体积小、重量轻、响应速度快、寿命长等。但传统的继电器由于其体积大、成本高等缺点，直接影响整个电子系统的小型化。因此采用MEMS(Micro Electromechanical System)技术，具有优良性能的新型继电器成为MEMS器件领域内研究热点之一。
MEMS技术将集成电路工艺和微机械加工技术独有的特殊工艺相结合，研究内容涉及物理、化学、微电子、机械设计、自动控制、材料学、生物医学等多种学科和工程技术领域，是一门多学科的综合交叉技术。MEMS器件在许多方面具有传统机电器件所不具备的优势，包括尺寸小、重量轻、能耗低、可实现大批量生产等特点。MEMS继电器是一种基于MEMS加工技术，融合了硅微加工和精密微机械加工等多种微加工技术手段，并应用现代信息技术构成的微型系统。与传统机电继电器比较，MEMS继电器具有体积小、功耗低、响应快、隔离度高、负载能力强等的特点，并且最终可以实现类似半导体技术的批量集成制造，可极大降低成本。
目前MEMS继电器尚有以下问题需要重点考虑解决：
1.一般MEMS继电器需要的驱动电压较大，这与集成电路上的标准电压5V有一定差距，如何在保证小的开合间隙下，减小驱动电压是研究的难点问题之一。
2.由于MEMS继电器的体积很小，导致了其热容很小，所以一般它不能载荷较大的电流，这就使其的应用范围有了一定的局限性，因此提高MEMS继电器的载荷电流也是研究的重点。
3.MEMS继电器的驱动力问题，一般MEMS继电器的驱动力较小，这就需要在设计中保证在小的驱动力下，继电器在工作时，即使控制电流有些许变化，接合点也可以稳定工作，不会脱开。
基于以上问题考虑，本专利提出了一种金属结构静电驱动的MEMS继电器，其具有驱动电压小、负载电流大、接触电阻低、可工作在较高频率等优点，在电子信息、工业控制、能源管理、交通通讯、航空航天和军用领域中具有重要应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种金属结构静电驱动MEMS继电器及其制备方法，所述MEMS继电器结构为金属，采用微结构电镀技术形成(包括结构支撑柱和表面上极板层结构)，衬底为高阻硅或玻璃等绝缘材料，具有驱动电极(上、下极板)和检测电极(接触电极)。使用电镀、牺牲层去除和结构释放工艺实现MEMS继电器的结构。而且制备出的MEMS继电器与现有的集成电路封装技术完全兼容，可以根据实际需要进行封装。如可通过管芯金属引线键合、管帽常压封装或真空封装等形式完成封装。
一种金属结构静电驱动MEMS继电器，其特征在于包括：电阻率范围在100至2000Ω·CM的高阻硅衬底，下极板，接触电极和上极板，其中：
高阻硅衬底，上端面结构的两侧是台阶，中间是凹槽，在整个上表面上覆盖一层厚度为2000
的SiO2绝缘层，
下极板，从由下到上依次由金属Ti和金属Au溅射组成，位于所述凹槽的所述SiO2绝缘层上，在所述下极板的外侧包裹一层3000的Si3N4层，该Si3N4层和两侧的SiO2绝缘层间留有间隙，
接触电极，从上到下依次由金属Au和金属Ti溅射组成，位于所述两侧台阶的内侧的所述SiO2绝缘层上，
上极板，呈“∏”字形，两个下端面位于所述内侧台阶的两边上，所述上极板由折叠梁和均匀分布于所述折叠梁中的阻尼孔组成，所述折叠梁是由电镀金属Au构成，两个下端面与所述SiO2绝缘层结合处用金属Ti做过渡层。
所述高阻硅用玻璃替代。
所述金属Au用金属Cu替代。
所述“∏”字形折叠梁根部用或蛇形单边，或蛇形对称，或T形，或H形，或回型结构以及以上所述的两种以上的结构的组合替代。
一种金属结构静电驱动的MEMS继电器制备方法，其特征在于，依次含有以下步骤：
步骤(1)，在电阻率范围在100至2000Ω·CM的高阻硅衬底上涂敷光刻胶；
步骤(2)，用干法刻蚀或湿法腐蚀进行第一次光刻，在衬底上的上端面形成台阶，高度为2μm，再去除所述台阶上面的光刻胶；
步骤(3)，在步骤(2)得到的所述高阻硅衬底上的上端面，用等离子体增强化学汽相淀积法，形成一层厚度为2000的SiO2绝缘层；
步骤(4)，同步骤(1)所述的方法进行第二次涂敷光刻胶，步骤(2)所述方法进行第二次光刻，所述台阶上部的图案是：内侧要预留出两个接触电极的位置，外侧要预留出两边锚点的位置，所述接触电极和偏差的中间为所述第二次光刻后保留下来的光刻胶凸台，所述台阶下部的图案是：中间预留出下极板的位置，两侧为所述第二次光刻后保留下来的部分光刻胶；
步骤(5)，在步骤(4)形成的所述高阻硅衬底的外露的上端面上先后溅射金属Ti和金属Au，厚度依次分别为400和1500
其中所述金属Ti为粘附层，以保证作为导电电极的所述金属Au与所述SiO2绝缘层结合平整牢固；
步骤(6)，去除步骤(5)中在所述高阻硅衬底外露的上端面上由所述第二次光刻后保留下来的那部分光刻胶和剥离在所述光刻胶表面溅射上所述金属Au和金属Ti；
步骤(7)，在所述高阻硅衬底上部外露的凹槽部分，用等离子体增强化学汽相淀积法形成厚度为3000
的的Si3N4层再进行第三次光刻，刻蚀的Si3N4层只留下包裹所述下极板所需要的那部分Si3N4层；
步骤(8)，在步骤(7)得到的外露的上端面上填充聚酰亚胺牺牲层，厚度为2.5μm，然后进行第四次光刻，刻蚀去除掉所述两边锚点上的牺牲层，露出两边锚点；
步骤(9)，在进行步骤(8)所述的第四次光刻后留下的所述牺牲层上涂敷光刻胶，再进行第五次光刻，溅射厚度为3000
的金属Au作为种子层，各种子层水平方向长度相等，各种子层之间的间距也相等，长度值和间距都是设定的，剥离金属Au，在所述牺牲层上端表面形成阻尼孔和折叠梁；
步骤(10)，在所述种子层上电镀金属Au，厚度为2.5μm，所述两边锚点处有种子层覆盖也同时被电镀上厚度2.5μm的金属Au，由于电镀的“爬坡”效应，所述锚点处金属Au和上极板最接近处金属Au连接，形成所述继电器的上极板其中包括阻尼孔和折叠梁，所述阻尼孔均匀分布在折叠梁上；
步骤(11)，在步骤(10)得到具有牺牲层结构用0.5％NaOH溶液湿法腐蚀或CF4、O2干法刻蚀，去除牺牲层结构，形成所述具有“∏”字形金属结构静电驱动的MEMS继电器。
所述聚酰亚胺牺牲层用光刻胶或磷硅玻璃或SiGe替代。
所述种子层金属Au用Cu或Ti/Pt/Au或Cr/Au或Ti/Cu或Ta/TaN/Cu或Ru或Ir或合金材料金属材料替代。
上述方法制备出的金属结构静电驱动MEMS继电器，具有驱动电压低、负载电流大与集成电路工艺兼容，可靠性、成品率高，工艺一致性好，没有有毒重金属，对环境无污染的优点。
附图说明
图1为高阻硅衬底示意图；
图2为衬底涂敷光刻胶示意图；
图3为衬底台阶形成示意图；
图4为衬底覆盖SiO2层第一次光刻示意图；
图5为衬底溅射金属Ti/Au示意图；
图6为去胶剥离金属Ti/Au示意图；
图7为形成下极板包覆Si3N4结构示意图；
图8为填充牺牲层示意图；
图9为溅射种子层示意图；
图10为电镀形成上极板和锚点结构示意图；
图11为继电器结构释放剖面示意图；
图12为∏型继电器三维结构示意图；
图13为根部梯形结构继电器三维结构示意图；
图14为根部H形结构继电器三维结构示意图；
图15为根部T形结构继电器三维结构示意图；
图16为根部T形加蛇形结构继电器三维结构示意图；
图17为本发明所述方法的工艺流程图。
具体实施方式
所述MEMS继电器结构金属，采用电镀工艺形成，包括结构支撑层和表面结构层两部分，具体是先在衬底面，通过溅射、蒸发等技术，形成一层金属种子层、阻挡层(过渡层)、粘附层，材料包括Ti/Pt/Au，Cr/Au，Ti/Cu、Ta/TaN/Cu，Ru，Ir或合金材料等金属材料。对于种子层要求第一是导体，另外种子层需要和衬底之间需要具有良好粘附性且温度特性稳定的材料，如Ti等。结构的形成可以采用电镀的方式，电镀的材料包括Cu、Au等金属材料。
结构部分：
静电驱动的继电器结构，可以分为驱动部分(上极板7、下极板4)和接触电极6。上极板主要是阻尼孔9(开孔位置、大小)、上极板形状(折叠梁结构)，下极板分为一个、两个或多个，且为了防止短路，下极板的上下部均有绝缘层，下极板下部SiO2绝缘层3与衬底2接触，下极板上部Si3N4绝缘层5直接与下极板接触，形状可分为下极板和接触电极在中间和两侧的结构；
为了工艺实现中加快牺牲层8释放的速度和减小压膜阻尼的影响，需要在梁上开阻尼孔。阻尼孔的存在，又释放了一部分梁的平均应力，达到上极板平整不会出现向上或向下弯曲的情况。在设计上极板阻尼孔位置与大小时，提高带状效率的前提下，可以根据驱动电压要求进行设计。
上极板的形状可以是矩形，也可以是上极板主体为矩形，在支撑上电极板与下部锚点相连的梁根部做适当修改，如梯形，蛇形单边、蛇形对称、T型、H型、回型结构以及以上一种或多种结构的组合。
工艺流程部分，见图17。
(1)选用高阻硅做衬底，如图1所示；
(2)在高阻硅上均匀涂上一层光刻胶，为光刻做准备，如图2所示；
(3)进行第一次光刻，干法刻蚀或湿法腐蚀，台阶高度为2微米，此台阶底部为下电极部分，如图3所示；
(4)去胶；等离子体增强化学汽相淀积厚2000
的SiO2绝缘层，进行第二次涂胶和第二次光刻，台阶上下均有图案，这里要确保台阶上部图案的完整性，不会出现线条断裂或图形残缺现象。台阶下部的图案为下电极，台阶上部的图案为接触电极和两边的锚点。为了保证后续步骤中的溅射金属不发生“爬坡”现象，这里要求光刻出的下极板的长度要略小于台阶的长度，这样在台阶凹槽内的金属剥离后，不会有台阶上下金属连接的现象，如图4所示；
(5)溅射金属Ti和金属Au，厚度分别为400
和1500其中Ti为过渡层，保证Au与绝缘层接触平整；Au为导电电极，如图5所示；
(6)去胶，剥离金属Ti和金属Au，露出下极板、接触电极和两边锚点部分，如图6所示；
(7)等离子体增强化学汽相淀积Si3N4，厚度3000
第三次光刻，刻蚀Si3N4，只有下电极被Si3N4包裹，其余部分露出，如图7所示；
(8)在结构中填充牺牲层，牺牲层厚度2.5微米，进行第四次光刻，这次光刻是刻蚀牺牲层，露出两边锚点的区域，如图8所示；
(9)进行第五次光刻，这次光刻是上极板图形化，溅射0.3微米的Au作为种子层，去胶剥离金属Ti和金属Au，如图9所示；；
(10)在种子层上电镀Au，厚度为2.5微米，这次电镀是做出继电器上极板，如图10所示；
(11)用0.5％NaOH溶液湿法腐蚀或CF4、O2干法刻蚀，去除牺牲层结构，形成最终的悬浮结构，如图11和图12所示。
工艺与结构参数
| 上极板长度 | 600微米 |
| 上极板厚度 | 2.5微米 |
| 下极板长度 | 450微米 |
| 下极板厚度 | 0.2微米 |
| 极板宽度 | 50微米 |
| 触电极长度 | 30微米 |
| 触电极厚度 | 0.2微米 |
| 上下极板间距离 | 4微米 |
| 上极板与接触电极间距离 | 2微米 |
Claims (7)
1.一种金属结构静电驱动MEMS继电器，其特征在于包括：电阻率范围在100至2000·CM的高阻硅衬底，下极板，接触电极和上极板，其中：
高阻硅衬底，上端面结构的两侧是台阶，中间是凹槽，在整个上表面上覆盖一层厚度为
的SiO2绝缘层，
下极板，从由下到上依次由金属Ti和金属Au溅射组成，位于所述凹槽的所述SiO2绝缘层上，在所述下极板的外侧包裹一层
的Si3N4层，该Si3N4层和两侧的SiO2绝缘层间留有间隙，
接触电极，从上到下依次由金属Au和金属Ti溅射组成，位于所述两侧台阶的内侧的所述SiO2绝缘层上，
上极板，呈“∏”字形，两个下端面位于所述内侧台阶的两边上，所述上极板由折叠梁和均匀分布于所述折叠梁中的阻尼孔组成，所述折叠梁是由电镀金属Au构成，两个下端面与所述SiO2绝缘层结合处用金属Ti做过渡层。
2.根据权利要求1所述一种金属结构静电驱动的MEMS继电器，其特征在于，所述高阻硅用玻璃替代。
3.根据权利要求1所述一种金属结构静电驱动的MEMS继电器，其特征在于，所述金属Au用金属Cu替代。
4.根据权利要求1所述一种金属结构静电驱动的MEMS继电器，其特征在于，所述“∏”字形折叠梁根部采用梯形，或蛇形单边，或蛇形对称，或T形，或H形，或回型结构以及以上所述的两种以上的结构的组合替代。
5.根据权利要求1所述的一种金属结构静电驱动的MEMS继电器而提出的制备方法，其特征在于，依次含有以下步骤：
步骤(1)，在电阻率范围在100·CM至2000·CM的高阻硅衬底上涂敷光刻胶；
步骤(2)，用干法刻蚀或湿法腐蚀进行第一次光刻，在衬底上的上端面形成台阶，高度为2μm，再去除所述台阶上面的光刻胶；
步骤(3)，在步骤(2)得到的所述高阻硅衬底上的上端面，用等离子体增强化学汽相淀积法，形成一层厚度为
的SiO2绝缘层；
步骤(4)，同步骤(1)所述的方法进行第二次涂敷光刻胶，步骤(2)所述方法进行第二次光刻，所述台阶上部的图案是：内侧要预留出两个接触电极的位置，外侧要预留出两边锚点的位置，所述接触电极和锚点的中间为所述第二次光刻后保留下来的光刻胶凸台，所述台阶下部的图案是：中间预留出下极板的位置，两侧为所述第二次光刻后保留下来的部分光刻胶；
步骤(5)，在步骤(4)形成的所述高阻硅衬底外露的上端面上先后溅射金属Ti和金属Au，厚度依次分别为
和
其中所述金属Ti为粘附层，以保证作为导电电极的所述金属Au与所述SiO2绝缘层结合平整牢固；
步骤(6)，去除步骤(5)中在所述高阻硅衬底外露的上端面上由所述第二次光刻后保留下来的那部分光刻胶和剥离在所述光刻胶表面溅射上所述金属Au和金属Ti；
步骤(7)，在所述高阻硅衬底上部外露的凹槽部分，用等离子体增强化学汽相淀积法形成厚度为
的Si3N4层再进行第三次光刻，刻蚀的Si3N4层只留下包裹所述下极板所需要的那部分Si3N4层；
步骤(8)，在步骤(7)得到的外露的上端面上填充聚酰亚胺牺牲层，厚度为2.5μm，然后进行第四次光刻，刻蚀去除掉所述两边锚点上的牺牲层，露出两边的锚点；
步骤(9)，在进行步骤(8)所述的第四次光刻后留下的所述牺牲层上涂敷光刻胶，再进行第五次光刻，溅射厚度为
的金属Au作为种子层，各种子层水平方向长度相等，各种子层之间的间距也相等，长度值和间距都是设定的，剥离金属Au，在所述牺牲层上端表面形成阻尼孔和折叠梁；
步骤(10)，在所述种子层上电镀金属Au，厚度为2.5μm，所述两边锚点处有种子层覆盖也同时被电镀上厚度2.5μm的金属Au，由于电镀的“爬坡”效应，所述锚点处金属Au和上极板最接近处金属Au连接，形成所述继电器的上极板其中包括阻尼孔和折叠梁，所述阻尼孔均匀分布在折叠梁上；
步骤(11)，在步骤(10)得到具有牺牲层结构用0.5％NaOH溶液湿法腐蚀或CF4、O2干法刻蚀，去除牺牲层结构，形成所述具有“∏”字形金属结构静电驱动的MEMS继电器。
6.根据权利要求5所述的一种金属结构静电驱动的MEMS继电器制备方法，其特征在于，聚酰亚胺牺牲层用光刻胶或磷硅玻璃或SiGe替代。
7.根据权利要求5所述的一种金属结构静电驱动的MEMS继电器制备方法，其特征在于，种子层金属Au用Cu或Ti/Pt/Au或Cr/Au或Ti/Cu或Ta/TaN/Cu或Ru或Ir或合金材料金属材料替代。
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